Metalurgia de polvos Pulvimetalurgia

¿Cómo trabajar estos metales? TEMP. DE ELEMENTO FUSIÓN (ºC) Tungsteno 3410 Renio 3180 Osmio 3000 Tantalio 2996

Reseña histórica Metalurgia de polvos • 3000 AC: los egipcios producían utensilios de hierro a partir de hierro esponja.

• Tribus primitivas de África transformaban el hierro esponja en polvo, lo clasificaban y lo trabajaban. • Edad Media: se usaban polvos de oro, plata, cobre para ornamentos. • 1829: se logró platino a partir de esponja del metal. • Edison utiliza un filamento de osmio, tantalio y tungsteno.

Definición de polvos   

Es un sólido finamente dividido con dimensión menores a 1mm. Su comportamiento es intermedio entre un sólido y un liquido. Son compresibles como los gases, pero su compresión es irreversible.

Proceso de obtención Una

vez obtenidos los polvos metálicos se puede resumir en tres etapas principales: 

1. La mezcla: Se deben mezclar los polvos metálicos con sus respectivas adiciones, creando una mezcla homogénea de ingredientes.

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2. El compactado: Se compacta la mezcla (presión elevada) obteniendo así la forma y el tamaño deseado de la pieza. Este compactado sólo requiere la suficiente cohesión para ser manejado con seguridad y transportado a la siguiente etapa (aglomerado verde).

Proceso de obtención

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3. El sinterizado: Se ingresan las piezas (aglomerado verde) a un horno con temperatura controlada e atmósfera inerte que no exceda el punto de fundición del metal base. Se logra así la resistencia mecánca requerida y otras propiedades deseadas.

Prensado

Preparación de los polvos de metal

Obtención de polvos  

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Hay una gran variedad de procesos para producir polvos de metales. Existe una relación entre un método específico de producción de polvos y las propiedades deseadas de los productos de metalurgia de polvos. Métodos más importantes: - Atomización - Reducción de óxidos - Depositación electrolítica

Atomización 

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En este proceso, Se pasa el metal líquido por una boquilla en cuanto un flujo (gas: aire, N, Ar o liquido: agua) separa el metal en pequeñas gotas que luego son congeladas rápidamente antes de que entren en contacto entre ellas o con una superficie sólida. Variando diferentes parámetros del proceso se puede controlar el tamaño de las partículas.

Atomización 

En principio la técnica es aplicable para todos los metales que se puedan fundir pero es comercialmente utilizada para la producción de polvos de Hierro, Cobre, Aceros, Bronce, Aluminio, Plomo y Zinc.

Atomización

Atomización 

Su principal ventaja es su flexibilidad: produciendo polvos de diferentes finuras y uniformes.

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Comercialmente utilizado para metales con bajo ponto de fusión

Reducción de óxidos   

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Este proceso ha sido, por mucho tiempo el más utilizado para la producción de polvo de hierro. Es un método conveniente, económico y flexible para producir polvos. Se reducen los óxidos metálicos a polvos metálicos poniéndolos en contacto con un gas reductor a una temperatura inferior a la de fusión. La materia prima seleccionada es aplastada y mezclada con carbón y llevada a un horno en donde reacciona. Después se aplasta nuevamente, se separan los materiales no metálicos y se tamiza para producir el polvo.

Reducción de óxidos 

Debido a que no se hace ninguna refinación, la pureza del polvo es totalmente dependiente de la pureza de la materia prima.

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Las partículas producidas por este método son de estructura tipo esponja irregulares y porosas, ideales para moldear.

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Es económico, el más usado y el único procedimiento para obtener W y Mo. Tambien se usa para producir: Fe, Ni, Co y Cu

1. Mezcla de reducción de coque en polvo y caliza

2. Mineral de hierro 3. Secado 4. Trituración o molienda 5. Cribado 6. Separación magnética 7. Carga en tubos cerámicos 8. Reducción en hornos túnel, aprox. a 1200C 9. Descarga

10. Trituración del polvo en crudo 11. Almacenamiento en silos 12. Molienda (refinado) 13. Separación magnética

14. Molienda y tamizado 15. Recocido en horno de cinta, aprox. 800900C 16. Homogeneización 17. Empaquetado automático 18. Mena de hierro 19. Mezcla reductora 20. Sala de control

Depositación electrolítica 

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Escogiendo las condiciones apropiadas posición y fuerza del electrolito, corriente, densidad, temperatura, etc., muchos metales pueden convertirse en polvos metálicos. Se usa por lo general para producir polvo de Cobre, pero también se puede utilizar para la producción de polvo de Cromo y Manganeso.

Depositación electrolítica 

Dos de las mayores cualidades de este proceso son la alta pureza y la alta densidad alcanzada en los polvos.

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La forma del polvo es dendrítica, ideal para el moldeo.

Características de los polvos

Características de los polvos 

El resultado final alcanzado después del sinterizado están altamente ligados con las características del polvo tales como: - tamaño de las partícula y distribución del tamaño - condición de la superficie - forma de las partículas - densidad aparente

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Además de la composición química y la pureza.

Tamaño de las partículas 

Se clasifica por el tamaño de tamiz que pasa el polvo.

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El polvo 200 pasa por la malla 200

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Se promedia el tamaño por análisis con microscopio

Elección del tamaño 

En general se requiere un polvo más fino sobre uno más grueso,los polvos de metales más finos tienen menores tamaños de polvos y mayores áreas de contacto para sinterizar.

Condición de superficie 

La característica de la superficie influirá en las fuerzas de fricción entre las partículas durante el compactado.

Forma de las partículas  

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La forma de la partícula influye en las características de empaquetamiento. Las partículas esféricas tienen un excelente sinterizado y dan características uniformes en el producto final Las irregulares son mejores para el moldeo

Forma de las partículas a) Acicular

b)Angular c) Dendrítica d)Fibrosa e) Placas f) Granular

g) Irregular h)Nodular

i) Esferoidal

Forma de las partículas y distribución del tamaño

Densidad aparente  

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Es el peso de una cantidad de polvo sin apretar necesario para llenar un volumen dado Es de las propiedades más importantes de los polvos; esto se debe a que la dureza alcanzada en el compactado depende directamente de la Densidad Aparente. A su vez esta característica depende de la forma y de la porosidad promedio de las partículas.

Proceso de fabricación

Proceso de fabricación  

Una vez se tiene el polvo empieza el proceso de fabricación de la pieza deseada. Este proceso está compuesto por básicamente tres etapas: -1) la mezcla -2) el compactado -3) la sinterización. Cada una de estas etapas contribuye en las características finales de la pieza.

1) Mezcla 

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La combinación y el mezclado son esenciales para la uniformidad del producto terminado. En esta etapa se debe alcanzar una mezcla homogénea de los materiales y añadir el lubricante. La principal función del lubricante son: - reducir la fricción entre el polvo metálico y las superficies de las herramientas utilizadas en el proceso. - reducir la fricción durante la compactación.

2) Compactado  

La mezcla es introducida en un molde de acero y presionada(150-900 Mpa). El compactado es una etapa muy importante ya que la forma y las propiedades mecánicas finales de la pieza están fuertemente relacionadas con la densidad al presionar.

Compactado 

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Es le etapa más importante, el polvo metálico adquiere la forma del molde y cerca de las dimensiones finales, además adquiere una resistencia en verde que permite la manipulación de la pieza dentro de la planta. Los polvos metálicos bajo presión no se comportan como líquidos, la presión no es transmitida uniformemente por el molde y hay virtualmente cero flujo lateral.

Técnicas del Compactado CON PRESIÓN

SIN PRESIÓN

• Troquel

•Deslizamiento

• Isostático

•Gravedad

• Forjado y extruido

•Continuo

• Continuo

Compactado con presión Troquel  

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Es el más utilizado Primero se llena el troquel, luego se presiona y se expulsa Utiliza presiones de 20 a 50 ton/pulg2

Troquel

Compactado con presión

Distribución densidad

Compactado con presión Isostático 

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La presión se aplica simultáneamente en todas las direcciones simultáneamente. Se coloca el polvo en un molde de hule y se sumerge en un baño líquido dentro de un recipiente a presión. Utilizado más para materiales cerámicos que para metales.

Compactado con presión Forjado y extrusión  

Se “enlata” el polvo en un recipiente metálico y luego se forja o extrae. Ambas técnicas por lo general no requieren de la etapa de sinterizado.

Compactado con presión Continuo 

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Se utiliza para elaborar cuerpos de forma simple (varillas, láminas o tubos). Se hace pasar el polvo a través de rodillos que son ajustables.

Compactado sin presión Deslizamiento 

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Se hace una suspensión de polvo en un líquido y luego se coloca en un molde que absorbe el fluido. La pieza se seca y sinteriza

Compactado sin presión Gravedad y Continua 

Gravedad: el troquel se llena y luego se sinteriza, dando una pieza porosa.

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Continua: se emplea para producir laminas porosas para electrodos de batería (Níquelcadmio) recargables. Se aplica el polvo en forma de suspensión espesa sobre una rejilla o lámina y luego se sinteriza.

3) Sinterizado 

La etapa de la sinterización es clave para el proceso de la metalurgia de polvos.

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Sinterizado: Es el TT de un polvo o compactado metálico a una temperatura inferior a la temperatura de fusión de la base de la mezcla. Tiene el propósito de incrementar las resistencias de la pieza creando enlaces fuertes entre las partículas.

3) Sinterizado 

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Las piezas compactadas se someten a un tratamiento térmico, en hornos de atmósfera controlada, consiguiendo una cristalización en estado sólido denominada sinterización, Durante este proceso de sinterización las piezas compactadas adquieren sus propiedades físicas y sufren unas ligeras alteraciones dimensionales las cuales ya son previstas en los cálculos de las mismas.

Atmósfera Controlada      

Ayudar a eliminar el lubricante Evitar la oxidación y reducir óxidos. Evitar la oxidación en la zona de enfriamiento. Evitar la descarburación. Mantener una cierta presión positiva a la salida del horno. Asegurar un purgado seguro. Impide entradas de aire. Asegurar un resultado uniforme en la sinterización.

Sinterizado 

Ocurre una difusión atómica (proceso de enlace de cuerpos sólidos) y las partes unidas durante el proceso de compactación se fortalecen y crecen hasta formar una pieza uniforme.

Sinterizado 

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Se utilizan temperaturas menor que la de fusión y una atmósfera controlada. Para proceso normales se alimentan las piezas al horno en una malla de alambres. Este alambre está hecho de una aleación Níkel/Cromo (80/20) que permite temperaturas hasta de 11500C. Para temperaturas superiores se pueden usar Carburos de Silicio que pueden operar a temperaturas hasta 13500C.

Sinterizado 

Temperaturas de Sinterizado: Hierro / Acero 1100 – 1300ºC Aleaciones de aluminio 590 – 620ºC Cobre 750 – 1000ºC Latón 850 – 950ºC Bronce 740 – 780ºC Metales Duros 1200 – 1600ºC

Aplicaciones 

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Se producen materiales refractarios, metales compuestos, porosos y combinaciones de metales con no metales. Es el único medio para producir molibdeno, tantalio Se puede combinar materiales duros en una matriz metálica (ej: carburo cementado) Combinación metal-no metal en materiales antifricción (cobre-grafito-sílice) Cojinetes autolubricantes (polvo de bronce con porosidad controlada)

Aplicaciones

Conclusiones Metalurgia de polvos 

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Las propiedades mecánicas alcanzadas en estas piezas son a veces inalcanzables por cualquier tipo de fabricación. Genera beneficios importantes tanto en lo económico (costos de piezas y mantenimiento) como en funcionamiento de la máquina que tenga la pieza fabricada por este método. Habría que entrar a hacer un análisis profundo de costos, de producción y de mercado. Es una buena oportunidad para la investigación y desarrollo.

Ventajas Económicas 

Precios muy competitivos en relación a otros métodos de fabricación. · Inversiones reducidas al evitarse la utilización de otras máquinas de segundas operaciones u operaciones de acabado. · Aprovechamiento prácticamente del 100% de la materia prima. · Alto grado de ahorro energético. · Tecnología no contaminante.

Etapas Intermedias Opcionales según características deseadas de la pieza final

Calibrado 

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Cuando las exigencias dimensionales y de acabado superficial son elevadas, las piezas son sometidas a la operación de calibrado. El calibrado se realiza en piezas de alta precision que confieren un acabado superficial superior al de las superficies rectificadas y unas tolerancias dimensionales extremas.

Impregnación de aceite 

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En función de las exigencias de la pieza, el proceso puede complementarse con la impregnación en aceite (casquillos autolubricados), procedimiento que se requiere para prevenir y proteger a las piezas contra la oxidación y la suciedad. Al momento de utilizarlas con una pequeña limpieza se encontrarán intactas en sus propiedades y presentación

Nuevas aplicaciones

Filtros Gran variedad de formas. Alto control del tamaño y forma de los poros.  Filtros para: polímeros, agua, gases, fluidos hidráulicos, fuel, lubricantes,...

Espumas Metálicas           

Porosidad cerrada. Baja densidad (de aluminio: 0,4-1 g/cm3). Alta rigidez específica. Alta capacidad de absorber energía. Amplio rango de utilización de temperaturas. Buenas propiedades de absorción de ruidos. No inflamable. Reducida conductividad térmica y eléctrica. Buen mecanizado Reciclable. Capaz de muchas operaciones de acabado.

Rociado Metálico Se utiliza para recuperar piezas gastadas o fuera de tamaño o cuando se requiere resistencia al desgaste. PROCESOS DE ROCIADO Fuente de calor eléctrica

Fuente de calor química

Pistolas de plasma

Pistolas oxiacetilénica

Pistola de oxiacetileno 

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Se rocía el polvo sobre la superficie deseada. Se puede aplicar cubiertas delgadas. Utíl para aplicar aleaciones duras y resistentes a la corrosión. Tienen base Ni o Co, contiene Cr, Bo, Si

Pistola de plasma  

El plasma es un gas ionizado que se produce al pasar por un arco eléctrico. Se logran mayores temperaturas de trabajo que permite depositar metales de mayor punto de fusión.